一种基于轧辊的氧化锆热障涂层的制备方法
【专利摘要】一种基于轧辊的氧化锆热障涂层的制备方法，其主要是对加工好的轧辊进行预热、清洗、喷砂粗化处理；用等离子喷涂设备将NiCoCrAlY合金粉末喷涂在轧辊表面，形成厚度为0.1-0.2mm过渡层，用质量分数8%氧化钇稳定的氧化锆粉末进行大气等离子喷涂厚度为0.3-0.4mm的陶瓷层，采用2000w直流快速激励横流式CO2激光器对等离子喷涂表面进行重熔处理，压力为0.25MPa，调节激光功率范围为350-600w，离焦量为40-60mm，扫描速率为3-8mm/s，光斑直径为4.5mm，激光比能为37.2J/mm2，搭接率为30%。本发明可以有效的降低轧辊辊面的温度，延长轧辊的使用寿命,提高生产效益。
【专利说明】一种基于轧辊的氧化锆热障涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械【技术领域】，特别涉一种适用于轧辊涂层的制备方法。
技术背景
[0002]在对带有液芯的厚板坯进行大压下量轧制时，由于铸坯在二冷区温度较高(表面约IOO(TC),拉坯速度较低(小于lm/min)，压下量大，每一轧制周期轧辊辊面与铸坯接触时间近10秒钟，是普通轧辊与高温板坯接触时间的60倍，导致轧辊辊身表面受到严重热疲劳而发生龟裂，在热应力和机械应力的综合作用下，裂纹向深处扩展，短时间内导致辊子报废。
[0003]目前，采用等离子喷涂纳米氧化锆(Zr02_8%Y203)团聚粉末制备了纳米氧化锆热障涂层，并利用2000?直流快速激励横流式CO2激光器对其进行重熔处理。对重熔后的热障涂层进行了组织结构、氧化动力学、高温热腐蚀动力学、高温隔热性能、抗热震以及结合强度等性能分析。如《氧化锆热障涂层在航空发动机上的应用和发展》([J].航空发动机.2010，36(06): 53-57，孙福波，涂泉.)介绍了氧化锆热障涂层(TBCs)的特性、制备方法及其特点，分析了 TBCs在航空发动机上的应用情况，并对TBCs技术的发展做出了展望。《航空发动机隔热屏等离子喷涂氧化锆热障涂层工艺研究》([J].航空工艺技术.1995(05)，沈肖镇，王晓东，刘会刚，等.)介绍了在某新型发动机加力燃烧室隔热屏上等离子喷涂氧化锆热障涂层工艺，重点介绍了涂层抗热震性能、抗高温氧化性能及隔热效果。《激光重熔等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层组织与性能研究》([D].西南交通大学，2009，郝云飞.)
[0004]上述热障涂层多用于航空发动机，利用热障涂层高熔点，低热导率、低辐射率和高反射率等特点，喷涂在发动机热端部件(如火焰筒、加力燃烧室、涡轮叶片)的表面，将部件与高温燃气隔绝开来，以降低部件的工作温度，并保证部件免受燃气的高温腐蚀与冲蚀，有效提高了热端部件的使用寿命。但该热障涂层应用于轧辊的相关报道非常少，因为轧制过程中的热冲击作用，热障涂层极易被破坏失去隔热效果，单纯地由等离子喷涂工艺加工得到的涂层和轧辊基体之间的结合强度不能达到涂层轧辊工作时的要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种能提高辊面硬度、耐磨性，可以有效降低轧辊辊面温度的基于轧辊的氧化锆热障涂层的制备方法。本发明主要是以轧辊为基体，在辊身表面经等离子喷涂以及激光重熔制备热障涂层，本发明主要应用于连铸机拉矫辊、热轧轧机轧辊、液芯大压下轧机轧辊。
[0006]本发明的制备方法如下:
[0007]1、调制处理
[0008]对加工好的轧辊进行预热处理，860°C _890°C加热保温两小时，降温到7400C _760°C保温四小时，炉冷到500°C左右出炉；进行淬火，温度为1020°C _1050°C，保温30min，油冷至室温；回火温度为530°C _560°C，回火两个小时，回火两次。[0009]2、清洗
[0010]对步骤I经过处理的轧辊用丙酮进行清洗，以去除其表面的油污；为了提高粘结层和基体金属的结合强度，在轧辊清洗完成后，应及时进行喷砂粗化处理；喷砂处理后至下一步喷涂粘结层的间隔时间越短越好，时间间隔最长不要超过两个小时。
[0011]3、等离子喷涂
[0012]用等离子喷涂设备将预先配比好的NiCoCrAH合金粉末喷涂在轧辊表面，形成过渡层，喷涂过程中进行氩气保护，粘结层厚度0.1-0.2mm，接着采用质量分数8%氧化钇稳定的氧化锆粉末进行大气等离子喷涂陶瓷顶层，陶瓷层厚度0.3-0.4mm。
[0013]所述NiCoCrAH合金粉末成分的质量百分比为N1:72-76.5、Co:5_6、Cr: 14-16、Al:4-5.5、Y:0.5。
[0014]4、激光重熔
[0015]为了提高涂层与基体的结合强度，在等离子喷涂热障涂层的基础上再进行激光器重熔。采用2000?直流快速激励横流式CO2激光器对步骤3的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，压力为0.25MPa，调节激光功率范围为350-600W，离焦量为40-60mm，扫描速率为2-4mm/s，光斑直径为4.5mm，激光比能约为30-40J/mm2，搭接率为30%，最好激光功率为505w，离焦量为50mm，扫描速率为3mm/s，光斑直径为4.5mm,激光比能为37.2J/mm2,搭接率为30%，经激光重熔加工后可以得到致密、结合强度较高、满足实际生产 需要的涂层，提高轧辊的的使用寿命。
[0016]本发明过渡层的合金粉末与陶瓷层的成分及涂层结构形成渐进变化，构成梯度热胀涂层，该梯度热胀涂层由于宏观上实现了成分的连续变化因而也实现了热膨胀系数的连续过渡，减少或消除了应力集中作用，可以有效缓解了涂层中的热应力，有效地推迟了涂层中裂纹的形成并降低了裂纹的扩展速率，具有较高的抗热震性能。
[0017]陶瓷层经过激光重熔等离子喷涂的热障涂层可以使涂层与基体之间产生冶金反应，使二者之间具有足够的结合强度，满足轧制过程中的需求。
[0018]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0019]1、氧化锆热障涂层的添加可以有效的降低轧辊辊面的温度，温降可达到200°C，一定程度上降低了由温度产生的热应力以及由于温度因素引起的材料物理化学性能的降低。
[0020]2、氧化锆热障涂层轧辊的辊面具有比基体更高的硬度以及耐磨性，定性分析，显微硬度至少可提高38%，可以有效的提高轧辊的使用寿命，轧钢量可提高50%以上，明显提闻了生广效益。
【具体实施方式】
[0021]实施例1
[0022]将加工好的材质为9Cr2MoV的连铸机拉矫辊进行调制处理，预热至860°C，保温两小时，降温到740°C，保温四小时，炉冷到500°C左右出炉；淬火温度1020°C，保温30min，油冷至室温；回火温度530°C,回火两个小时，回火两次。
[0023]对轧辊进行丙酮清洗、喷砂粗化处理，然后进行氩气保护等离子喷涂，喷涂质量分数为 Ni:76.5、Co:5、Cr:14、A1:4、Y:0.5 的 NiCoCrAH 合金粉末，制备成厚度为 0.1mm 的过渡层，接着采用质量分数8%氧化钇稳定的氧化锆粉末进行大气等离子喷涂，制备成厚度为0.3mm的陶瓷层；之后对陶瓷涂层进行激光重熔，激光功率为350W，离焦量为40mm，扫描速率为2.2mm/s，光斑直径为4.5mm，激光比能为35.4J/mm2，搭接率为30%。
[0024]实施例2
[0025]将加工好的材质为60SiMnMo的热轧轧机轧辊预热至875 V，保温两小时，降温到750°C，保温四小时，炉冷到500°C左右出炉；淬火温度1040°C，保温30min，油冷至室温；回火温度540°C,回火两个小时，回火两次。
[0026]对轧辊进行丙酮清洗、喷砂粗化处理，然后进行氩气保护等离子喷涂，喷涂质量分数为 Ni:74,Co:5.5,Cr:15、A1:5、Y:0.5 的 NiCoCrAH 合金粉末，制备成厚度为 0.15mm 的过渡层，接着采用质量分数8%氧化钇稳定的氧化锆粉末进行大气等离子喷涂，制备成厚度为0.35mm的陶瓷层；之后对陶瓷涂层进行激光重熔，激光功率为505w，离焦量为50mm，扫描速率为3mm/s，光斑直径为4.5mm，激光比能为37.2J/mm2，搭接率为30%。
[0027]实施例3
[0028]将加工好的材质为H13的液芯大压下轧机轧辊预热至890°C，保温两小时，降温到760°C，保温四小时，炉冷到500°C左右出炉；淬火温度1050°C，保温30min，油冷至室温；回火温度560°C,回火两个小时，回火两次。
[0029]对轧辊进行丙酮清洗、喷砂粗化处理，然后进行氩气保护等离子喷涂，喷涂质量分数为 Ni:72, Co:6、Cr:16、A1:5.5、Y:0.5 的 NiCoCrAH 合金粉末，制备成厚度为 0.2mm 的过渡层，接着采用质量分数8%氧化钇稳定的氧化锆粉末进行大气等离子喷涂，制备成厚度为0.4mm的陶瓷层；之后对陶瓷涂层进行激光重熔，激光功率为600w，离焦量为60mm，扫描速率为3.6mm/s，光斑直径为4.5mm，激光比能为37J/mm2，搭接率为30%。
【权利要求】
1.一种基于轧辊的氧化锆热障涂层的制备方法，其特征在于: (1)对加工好的轧辊进行预热处理，860°C-890°c加热保温两小时，降温到.7400C _760°C保温四小时，炉冷到500°C左右出炉；进行淬火，温度为1020°C _1050°C，保温.30min，油冷至室温；回火温度为530°C _560°C，回火两个小时，回火两次； (2)对步骤(1)经过处理的轧辊用丙酮进行清洗后进行喷砂粗化处理；喷砂处理后至下一步喷涂粘结层的间隔时间越短越好，时间间隔最长不要超过两个小时； (3)用等离子喷涂设备将预先配比好的NiC0CrAH合金粉末喷涂在轧辊表面，形成过渡层，喷涂过程中进行氩气保护，粘结层厚度0.1-0.2mm，接着采用质量分数8%氧化钇稳定的氧化锆粉末进行大气等离子喷涂陶瓷顶层，陶瓷层厚度0.3-0.4mm ； (4)采用2000?直流快速激励横流式CO2激光器对步骤(3)的等离子喷涂表面进行重熔处理，重熔过程中采用氩气进行冷却和保护，压力为0.25MPa，调节激光功率范围为.350-600W，离焦量为40-60mm，扫描速率为2-4mm/s，光斑直径为4.5mm，激光比能为30-40J/mm2，搭接率为30%。
2.根据权利要求 1所述的一种基于轧辊的氧化锆热障涂层的制备方法，其特征在于:所述NiCoCrAH合金粉末成分的质量百分比为N1:72-76.5,Co:5-6,Cr =14-16,Al:4_5.5、Y:0.5。
3.根据权利要求1所述的一种基于轧辊的氧化锆热障涂层的制备方法，其特征在于:所述的重熔处理，最好激光功率为505w，离焦量为50mm，扫描速率为3mm/s，光斑直径为.4.5mm，激光比能为37.2J/mm2，搭接率为30%。
【文档编号】C23C4/14GK103911581SQ201410111086
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】孙登月, 董玉杰, 张军营, 侯广义 申请人:燕山大学